CN211527776U - 一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器。稀薄气体效应研究是空气动力学的一项基础研究，主要是针对高度60km以上比较稀薄的大气环境，而稀薄气体效应会对热环境产生不容忽视的影响。目前，国内可以开展这方面研究的风洞设备一般为低密度风洞，其模拟的大气高度可达90km以上。但此类风洞运行成本高、运行方式不够灵活、相关的测试技术不够丰富，使得在此类风洞中开展试验研究受到一定限制。本实用新型给出的一种新型的热流传感器，能在模拟能力强、运行方式灵活的激波风洞中从另一角度开展稀薄气体效应的试验，为稀薄气体效应这项基础研究提供了新的技术途径。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器，为稀薄气体效应研究提供了新的技术途径。
背景技术
稀薄气体动力学研究的是分子平均自由程与流动中典型尺度相比为不可忽略时的气体流动行为。钱学森先生最先根据稀薄程度将稀薄流气体流动分为三大领域，即滑流领域、过渡领域和自由分子流领域，其界定的依据是努森数，Kn定义如下：
其中，λ为平均分子自由程；
L为特征尺度。
当0.1>Kn>0.01时为滑流区；当10>Kn>0.1时为过渡流区，当Kn>10时为自由分子流区。在稀薄流问题中，区分流区的最主要参数就是努森数。
对于滑流和自由分子流已有较为完善的理论计算方法。
当气体高度稀薄时，物体的存在对来流状态几乎没有影响，气体和物体之间的作用情况和牛顿关于气体和物体间相互作用的模型有类似之处。滑流区时，稀薄气体与连续介质的主要不同表现在物体表面气流速度和气流温度发生滑移和跳跃现象。20世纪80年代后期，考虑二阶近似应力和热流附加项的Burnett方程应用于高超声速滑流区求解，其结果与DSMC方法的一致性比N-S方程更高。
过渡流是介于连续流和自由分子流之间的一种流态。在过渡流区域中，连续介质和自由分子流的假设都不适用。当飞行器以超轨道速度(即超过第一宇宙速度)再入时，以及最大热流率发生在高空的飞行任务中，稀薄度对热流过程有很大的影响。钱学森指出过渡流区分子间的碰撞为分子与壁面的碰撞同样重要，问题极为复杂。求解过渡流区的流动问题是稀薄气体动力学的核心内容。
在试验模拟方面，根据以上定义，模拟稀薄气体效应的途径有两种，一是增大气体分子平均自由程，二是降低流动特征尺度。低密度风洞就是基于第一种途径来直接开展稀薄气体模拟的试验设备。
但是目前国内仅有一座正常运行的低密度风洞，且如前所述此类设备运行成本高、运行方式不够灵活、相关的测试技术不够丰富，使得在此类风洞中开展试验研究受到一定限制。
因此我们考虑从第二种途径解决问题：选择小型传感器来测量极小流动尺度内的气动参数。具体选择的是测量热流的热电偶技术。
针对瞬时热流的测量，德国的P.Hackemann在1941年提出同了轴热电偶的设计。五、六十年代，Midwest Research Institute的D.Bendersky和C.E.Moeller对其进行了改进，最终Mo-Re公司采用Moeller的设计对同轴热电偶进行了商业化生产。目前主要有德国的Mueller和美国的Medtherm生产同轴热电偶。我国的科研院所也研发生产了同类产品，性能与欧美产品近似。
但这些采取同轴设计的柱状探针式传感器的最小直径普遍在1mm左右，能够安装这种传感器的模型尺寸就更大了，还不足以模拟稀薄气体效应。因此还需要改进设计，进一步减小能够测量的流动尺度。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器，利用常规的激波风洞和整体式热电偶技术可以实现Kn数大于0.01，出现过滑流区和渡流区的气动特性，从而实现稀薄气体效应的试验研究。本实用新型的核心思路在于利用激波风洞实现高马赫数较为稀薄的来流条件结合整体式热电偶技术开展尖前缘驻点热流的测量，可以将Kn数控制在0.01以上，从而使得尖前缘驻点区域存在稀薄气体的流动特性。此时的前缘驻点热流的分布规律和变化特性将呈现出与连续流不同的地方，可以为稀薄气体效应理论和计算方法研究提供有效的试验数据支撑。同时，此试验模拟方法为稀薄气体效应的试验研究提供了一种新的途径，方法可靠，且更为便捷。
本实用新型的技术方案：
一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器，包括：内电极、外电极、绝缘层；
外电极通过插接结构固定连接在模型的前缘处，所述外电极的外形和前缘的结构配合；前缘半径的取值范围为0.25～1mm；
外电极沿长度方向开有多个通孔，内电极插入所述通孔，所述绝缘层用于使通孔内的内电极和通孔内壁实现电气隔离；外电极和内电极在传感器外表面实现电极导通；
所述内电极材料为康铜，所述外电极材料为镍铬合金。
所述通孔的孔径为0.22mm，所述外电极的高度为5mm。
本实用新型与现有技术相比的优点如下：
1)激波风洞模拟能力强、运行方式灵活、运行成本低。
2)在国内有多座长期运行的设备，可供选择的余地大。
3)整体式热电偶热流测量精度高，但只适用于短时间运行的激波风洞。
4)激波风洞加整体式热电偶的方法不但可以实现稀薄流动的模拟还可以实现连续流的模拟，便于两种流动状态的数据对比和分析。
附图说明
图1为整体式热电偶示意图。
图2为同轴热电偶热流传感器制作流程图。
图3为整体式热电偶三维设计图。
图4为整体式热电偶加工设计图。
具体实施方式
本实用新型提出一种最新的热流传感器技术，在模拟能力强、运行方式灵活的激波风洞中开展稀薄气体效应的试验研究。打破传统低密度风洞由于风洞本身固有的特性及测试技术不够丰富的限制，从另一个途径开展稀薄气体效应的试验研究。
本实用新型一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器，如图1所示，包括：内电极、外电极、绝缘层；
外电极通过插接结构固定连接在模型的前缘处，所述外电极的外形和前缘的结构配合；前缘半径的取值范围为0.25～1mm；
外电极沿长度方向开有多个通孔，内电极插入所述通孔，所述绝缘层用于使通孔内的内电极和通孔内壁实现电气隔离；外电极和内电极在传感器外表面实现电极导通；所述内电极材料为康铜，所述外电极材料为镍铬合金。
所述通孔的孔径为0.22mm，所述外电极的高度为5mm。
本实用新型利用激波风洞Ma14较为稀薄的流场条件，结合整体式热电偶技术，测量在此流场条件下尖前缘的驻点热流。
根据界定气体流动稀薄程度的依据努森数Kn(
其中λ为气体的平均分子自由程，L为特征尺度)，当Kn>0.01时即存在稀薄效应。在λ达到风洞模拟的上限后可以尽可能地减小L，即减小模型的特征尺度，同样可以出现稀薄气体效应。因此，充分利用最新的热流传感器技术优势，尽可能减小前缘的半径，可以促使前缘的驻点处出现稀薄气体效应。
激波风洞可以模拟高马赫数流场，经计算在Ma＝14时某激波风洞可实现的稀薄来流参数如下所示：
利用整体式热电偶技术可以制作前缘半径R＝0.25mm～1mm的热流传感器，制作流程如图2所示。由于E型热电偶输出热电势最大，因此在满足试验量程的条件下，选取康铜为E型热电偶内电极，镍铬合金为传感器外电极。其中，内电极的直径为0.2mm，外电极作为尖前缘模型的一部分，且控制壁厚在1.5mm以内，并采用超高速钻进行打孔，孔径0.22mm。最后，采用粗砂纸打磨传感器外表面直至内外电极导通。这样即可制成整体式热电偶式尖前缘热流传感器，作为模型其特征尺度即为0.5～2mm。
根据Kn数的定义：
Ma＝14流场的气体平均分子自由程λ＝9.11×10-5m，而对应不同前缘半径R(这里前缘直径即为物体的特征尺度L)整体式热电偶的Kn数分别如下所示：
| R | 0.25mm | 0.5mm | 0.75mm | 1mm |
| Kn | 0.18 | 0.09 | 0.06 | 0.05 |
通过上述方法可以实现Kn＝0.18～0.05范围内的模拟，用于开展滑流区至过渡流区的稀薄气体效应的试验研究。
Claims (2)
1.一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器，其特征在于，包括：内电极、外电极、绝缘层；
外电极通过插接结构固定连接在模型的前缘处，所述外电极的外形和前缘的结构配合；前缘半径的取值范围为0.25～1mm；
外电极沿长度方向开有多个通孔，内电极插入所述通孔，所述绝缘层用于使通孔内的内电极和通孔内壁实现电气隔离；外电极和内电极在传感器外表面实现电极导通；
所述内电极材料为康铜，所述外电极材料为镍铬合金。
2.根据权利要求1所述的一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器，其特征在于，所述通孔的孔径为0.22mm，所述外电极的高度为5mm。
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|---|---|---|---|
| CN201922107084.XU CN211527776U (zh) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | 一种可用于稀薄气体效应试验研究的热流传感器 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN211527776U true CN211527776U (zh) | 2020-09-18 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112415045A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-02-26 | 武汉大学 | 一种在低气压下测量材料热适应系数的装置和方法 |
| CN113553779A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-10-26 | 中国航天空气动力技术研究院 | 火星进入器驻点热流预测方法、装置、电子设备及介质 |
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2019
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